“一剂多效”的纳米药物满足牙周炎治疗的多方面需求
“一剂多效”的纳米药物满足牙周炎治疗的多方面需求
近日，武汉大学付磊教授课题组和黄翠教授课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Biomaterials上发表了题为“Antibacterial-Osteogenic Integrated Liquid Metal Nanomedicine for Periodontitis Treatment”的研究论文。研究以液态金属镓为核心，研发了一种新型“一剂多效”的纳米药物（GaNC），实现了抗菌与骨再生双重疗效的协同集成，满足了牙周炎治疗的多方面需求。
研究亮点
本研究以液态金属镓为核心，研发了一种新型“一剂多效”的纳米药物（GaNC），实现了抗菌与骨再生双重疗效的协同集成，满足了牙周炎治疗的多方面需求。
- GaNC在牙齿表面的强附着力显著增强了其抵抗唾液冲刷的能力，从而显著提高了纳米药物在口腔环境中的长期留存率和生物利用度。
- GaNC在椅旁蓝光激活下表现出对口腔致病菌的高效抗菌性能，尤其是对牙龈卟啉单胞菌的精准抑制。且不会破坏口腔菌群的生态平衡，这对于维护口腔健康至关重要。
- GaNC展现出优异的破骨抑制作用和成骨促进作用，为牙周组织的再生修复提供了强有力的支持。
研究简介
牙周炎是一种由细菌感染引起的炎症性疾病，其晚期常伴随牙槽骨的进行性吸收，若未能采取有效干预措施，最终可能导致牙齿丧失。此外，重症牙周炎与多种系统性疾病之间的关联性已得到广泛证实。因此，减轻细菌感染和调控骨代谢平衡，对于牙周炎的临床治疗及降低其引发的潜在系统性健康风险具有至关重要的意义。
目前，机械式清创术联合抗生素局部应用是牙周炎临床治疗的常规手段。然而，这些传统治疗方法常受限于深牙周袋内细菌清除效率低、疾病复发率高以及潜在的毒副作用。更为重要的是，这些疗法未能有效解决牙周炎引起的牙槽骨不可逆吸收问题。因此，开发一种集抗菌与促进牙周组织再生功能于一体的人工材料，能够在抗感染的同时展现卓越的创伤修复能力，是牙周炎治疗领域的一个具有潜力的新策略。
针对牙周炎治疗中对高效抗菌和促成骨特性的迫切需求，研究者们已开发出多种“多合一”治疗平台，这些平台通过结合多种组分以实现协同效应，包括多药物传递系统、改性水凝胶和工程化膜等。然而，复杂的成分增加了药物拮抗、材料不稳定性和技术敏感性的风险。因此，本研究聚焦于开发组成简单且具有高生物安全性的“一剂多效”纳米药物，旨在通过综合控制牙周炎致病菌感染和骨组织修复，避免多重用药可能带来的副作用。基于此，我们提出了一种基于液态金属镓的“一剂多效”纳米药物，其在纳米尺度上抗菌与成骨特性的集成精准对应牙周炎治疗的多重需求。
镓基液态金属因其卓越的抗菌效能和骨组织再生促进能力而受到广泛关注，然而其抗菌成骨双重特性在口腔这一特殊环境中的有效性仍未被充分验证。因此，本研究构建了一种以液态金属镓为核心的纳米复合材料（GaNC），通过石墨烯量子点修饰和椅旁蓝光激活，具备多重抗菌机制和双向骨稳态调节功能（如图1所示）。研究结果表明，经椅旁蓝光激活的GaNC对口腔常见致病菌展现出显著的抑制能力，填补了镓基液态金属对抗口腔细菌活性的研究空白。特别值得关注的是，GaNC对牙周炎主要致病菌——牙龈卟啉单胞菌展现出卓越疗效，为其作为牙周炎潜在治疗剂的研发奠定了基础。纳米级的镓因其对牙齿及细菌表面的强粘附性，确保了材料在口腔这一复杂且动态环境中的持久滞留，进一步提升了其抗菌效能。
此外，本研究不仅证实了GaNC对破骨细胞活动的抑制效应，还揭示了带负电荷的镓基纳米粒子在促进成骨细胞分化方面的积极作用（如图3所示）。体内实验进一步验证了GaNC的抗菌-成骨双向功能在体内治疗牙周炎的有效性（如图4所示）。该研究首次证实了具有良好生物相容性的液态金属镓纳米颗粒在治疗牙周炎中的应用价值，强调了其独特的双重功效：一方面有效清除口腔病原菌，另一方面显著促进干细胞成骨向分化的同时抑制破骨向分化，从而增强骨组织的再生能力。与需要复合多种组分的“多合一”治疗方案相比，基于镓的“一剂多效”纳米平台有望简化多功能口腔材料的制备过程，并提高其临床应用的便捷性。
图1. 抗菌成骨一体化GaNC治疗牙周炎
图2. GaNC对口腔致病菌的体抗菌活性
图3. GaNC的体外骨稳态调节能力
图4. GaNC对牙周炎大鼠的体内治疗效果评估
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请付磊教授进行了专访，请他为大家做进一步的深入解读。
CellPress：
请简要概述这项工作的亮点。
付磊教授：
由菌斑生物膜引发的不可逆牙槽骨吸收是牙周炎的重要临床表现之一。针对牙周炎病原菌感染和骨组织修复进行综合管理，是牙周炎治疗的关键。本研究首次提出采用具备抗菌和成骨双重功能的液态金属镓进行牙周炎治疗，验证了其纳米制剂在牙周炎治疗中的有效性，并揭示了其作为纳米药物的多重优势，包括优异的抗菌性能、生物粘附性以及促进骨组织修复的能力。这为牙周炎的综合治疗提供了新的思路和手段。
CellPress：
研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？
付磊教授：
在研究初期，我们在提升液态金属镓纳米颗粒的抗菌性能方面投入了大量精力。通过与武汉大学口腔医院的临床医生深入交流，我们意识到，在牙周炎治疗中，过度的抗菌效果可能会破坏口腔微生物群的平衡。因此，如何在有效抑制致病菌的同时促进牙周组织的修复，成为了我们研究的关键问题。为了解决这一难题，我们团队专注于探索液态金属镓在口腔环境中的抗菌-成骨双重功能集成的有效性，重点研究其能否克服口腔湿润动态环境的挑战，在不影响口腔生态平衡的情况下有效清除致病菌，并在炎性环境中诱导牙槽骨再生。最终，我们成功研发出GaNC这一新型纳米药物，其简单的结构成分和对椅旁蓝光的响应性大大提升了其临床应用的潜力。
CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？
付磊教授：
关于未来的研究计划，我们团队打算进一步深化对镓基纳米药物的研究，探索其在抗炎、免疫调节、牙齿美白等多功能疗效方面的拓展应用。同时，我们将评估其在复杂牙周炎模型中的效果，包括伴糖尿病牙周炎和伴骨质疏松牙周炎模型等。此外，我们还计划优化镓基纳米药物的可降解性和微环境响应性，以提高其与口腔组织的生物相容性。我们还将深入研究镓基纳米颗粒在促进牙槽骨再生方面的潜在机制，探讨如何将其更有效地整合进现有的牙周治疗策略。通过这些研究，我们期望能够为牙周疾病的治疗提供更加有效、安全的治疗方案。
CellPress：
最后，请与我们分享一下您选择Cell Press细胞出版社旗下新刊Cell Biomaterials发表这项工作的原因。
付磊教授：
首先，Cell Biomaterials是一个专注于生物材料研究的国际性期刊，致力于发表生物材料科学领域的创新成果，这与我们的研究主题非常契合。我们的研究探索了液态金属镓纳米颗粒在牙周炎治疗中的应用，这是一种新型生物材料的探索，因此，Cell Biomaterials是我们研究成果的理想发布平台。其次，Cell Press细胞出版社享有极高的学术声誉，其旗下的期刊在科研界具有广泛的影响力。通过在Cell Biomaterials上发表我们的研究，我们能够将成果迅速传播给全球的科研工作者，从而提升我们工作的可见度和影响力。综上所述，Cell Biomaterials的学术定位、Cell Press的声誉、编辑团队的专业性以及开放获取的政策，都是我们选择在贵刊发表工作的重要原因。
作者介绍
刘雅茜
博士研究生
刘雅茜，现于武汉大学化学与分子科学学院攻读博士学位。主要研究方向：生物智能材料。
尹峥嵘
博士研究生
尹峥嵘，现于武汉大学口腔医学院攻读博士学位。主要研究方向：纳米材料与功能性水凝胶材料的合成及其应用。
易璐瑶
博士
易璐瑶，博士。主要研究方向：仿生矿化与硬组织修复材料设计及其机制研究。
黄翠
教授
黄翠，武汉大学口腔医学院教授，一级主任医师，博士生导师。武汉大学珞珈特聘教授。中华口腔医学会口腔修复专业委员会副主任委员，中华口腔医学会口腔美学专委会候任主任委员。主持获得湖北省科技进步一等奖和湖北省教学成果一等奖。获评“湖北省医学领军人才”，中华口腔医学会首届“口腔医疗科技创新人物”。主持国家自然科学基金，教育部重点科技项目、湖北省科技创新重大项目、湖北省自然基金重点项目等多个项目，主编和参编人民卫生出版社教材4本。主要研究方向为牙齿美学修复和口腔生物材料，在Mater Today, Bioact Mater, Acta Biomater, J Dent Res等权威SCI期刊发表论文90余篇，担任口腔领域期刊J Prosthodont Res编委。
付磊
教授
付磊，武汉大学教授，博士生导师，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者。提出和发展了液态金属反应体系，以电子信息、能源和医用领域的应用需求为导向，在先进功能材料的原子制造领域开展了一系列创新性研究。获湖北省自然科学奖一等奖、国务院特殊津贴、中国化学会青年化学奖、湖北省五四青年奖章、武汉市优秀青年科技工作者称号。在Nature、Nat. Mater. 等期刊上发表论文200余篇。现任中国化学会奖励推荐委员会委员、纳米化学专业委员会委员等学术职务。
本文原文来自Cell Press细胞出版社